基于生态系统服务价值的土地利用结构优化——以清流县为例

高雯娜，吴玉琪，吴可欣，吴巧慧，刘艳萍，李 凤，路春燕

（1.福建农林大学 计算机与信息学院； 2.福建农林大学 智慧农林福建省高校重点实验室；3.福建农林大学 公共管理学院，福建 福州 350002）

1 引言

生态系统服务（Ecosystem Services）是指自然环境条件以及由生态系统和生态过程产生和维持的服务[1,2]。自20 世纪90 年代，中国逐步开展生态系统服务研究[3]，相关学者对其理论及方法进行积极探讨，深刻影响了中国生态系统的恢复与建设。许多经济学家认为，研究生态系统服务可更好地解决自然资源在不同用途之间的分配问题，通过经济手段调节人类对生态系统的利用，有效保护现有的自然生态系统[4]。人类的生存发展需自然生态系统提供大量多种支撑条件，土地资源作为陆地生态系统的重要组成部分，是经济社会发展的宝贵资源。近年来，随着社会经济的不断发展，土地消耗和需求不断增加，土地资源无序利用使得人地关系矛盾日益突显[5]。土地利用是生态系统服务供给能力衡量的核心，优化土地利用结构已成为缓解人地矛盾的有效措施[6]。

合理的土地利用结构是生态文明建设的重要体现，目前已有众多学者以生态系统服务价值为出发点对其进行研究，并取得的了丰硕的研究结果。例如，成量[7]利用多种指标对荥阳市的土地利用结构进行定量分析及空间布局优化模拟，以提出提高区域内土地利用效率和效益的策略。杨涛等[8]和甄艳等[9]分别基于长时间序列土地利用数据和遥感影像数据分析渭河流域和若尔盖县土地利用结构时空变化特征，系统揭示研究区土地利用结构空间演变规律。刘耀林等[10]基于提高生态系统服务价值和空间集约度的双重目标，利用粒子群智能算法探讨了武汉市东西湖区土地利用空间优化布局。尽管已有研究从理论和实践层面对土地利用结构的多个科学问题进行深入研究，但对经济、社会、生态等多目标协同下的土地利用结构优化的研究相对欠缺。福建省清流县地形以丘陵为主，耕地分布零散，且城乡区域经济发展极不平衡。随社会经济发展，生态文明建设要求地方更加注重区域协调发展以及土地利用的统筹分配[11]。鉴于以上，本研究以清流县为研究对象，系统分析该县土地利用现状和动态变化特征，基于生态系统服务价值体系对该县生态系统服务价值进行估算；进而，以生态效益最大化为目标，运用线性规划法对其土地利用结构进行优化。以期明确清流县土地利用结构与生态系统服务间的定量关系，为实现土地资源的可持续管理和县域可持续发展提供科学参考。

2 研究区概况和数据来源

2.1 研究区概况

清流县位于福建省西部，地处116°38′E～117°10′E、25°48′N～26°21′N，行政区划辖7 镇6 乡、119个村 （居），总人口与总面积分别为15.21 万和1806.32km2。该县位于中亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛且集中，为多种农作物和经济林生长提供了适宜的生存环境，是全国重点林业县之一。2021 年，清流县地区生产总值156.95 亿元，占全省地区生产总值的0.32%。随着社会经济的发展，土地消耗和需求的不断增加日益突显人地关系矛盾，清流县土地利用规划既要满足经济发展对生产性需求，更要符合生态文明建设。

图1 清流县区位图

2.2 数据来源

为研究清流县生态系统服务价值及土地利用结构优化配置，收集2015—2021 年该县土地利用数据、统计数据和规划资料。其中，土地利用数据来源于清流县自然资源局，数据空间分辨率为30m×30m，土地利用类型共包括耕地、园地、林地、其它农用地、建设用地、水域、湿地和难利用地等8 类；统计数据来源于2016—2022 年的《清流县统计年鉴》《三明市统计年鉴》和《福建省统计年鉴》；规划资料包括清流县政府公报以及可公开获取的自然资源局相关政策文件，用于确定土地利用结构优化约束条件阈值。

3 研究方法

3.1 土地利用动态变化率

为定量分析研究区土地利用动态变化，选用平均变化率对各土地利用类型的年平均面积变化速率，其公式为[12]：

式中，Fi指第i 种土地利用类型研究期内的变化面积；Ki为第i 种土地利用类型研究期内的平均变化速率；Uia和Uib分别为研究期初与研究期末第i 种土地利用类型的面积；T 为研究时长。

3.2 生态系统服务价值估算

综合考虑研究区实际情况及数据可获得性，本研究选用当量因子法对研究区生态系统服务价值进行核算。根据谢高地等[13]的研究，单位生态系统服务价值可用平均粮食单产的1/7 估算，本研究中根据清流县耕地面积及其主要粮食作物产值，对农田年自然粮食平均产量的经济价值进行修正，由此确定清流县单位面积生态系统服务价值当量因子的价值量为2931.33 元/hm2。在此基础上，参照谢高地等[14]提出的中国生态系统服务当量因子表，获得各土地利用类型单位面积的生态系统服务价值，公式如下[15]：

式中，En为1hm2农田每年自然粮食平均产量的经济价值；Vci为第i 种土地利用类型单位面积生态系统服务价值；ESV 为清流县生态系统服务总价值；n 为粮食作物种类数量；M 为清流县粮食播种总面积；pi为第i 种粮食作物单位价格；qi为第i 种粮食作物总产量；Ci为第i 类土地利用类型的当量因子系数；Ai为第i 种土地利用类型面积。

3.3 线性规划模型

线性规划是常用于管理优化的一种重要方法，该方法具有求解问题简单、易于计算且预测速度快的特点。本研究利用该模型以2021 年为规划基期，2030 年为优化目标期对清流县生态系统服务价值达到最优状态时的土地利用结构进行优化。其目标函数为：

式中：F(x)代表生态系统服务总价值；Vci为第i种土地利用类型单位面积生态系统服务价值；x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7和x8分别为耕地、园地、林地、其他农用地、建设用地、水域、滩涂沼泽和难利用地的面积。

同时，为更加科学合理优化，基于研究区经济社会情况及相关规划政策，设置土地总面积约束和8 个土地利用类型约束，共9 个约束条件。

4 结果与分析

4.1 土地利用动态变化

基于2015—2021 年研究区土地利用数据，分析各土地利用类型在不同时间段的动态变化（表1和图2） 可知：2015—2021 年清流县耕地和建设用地面积总体呈增加趋势，分别增加70.74hm2（0.04%）和325.06hm2（0.18%）；园地、林地、其他农用地、水域和难利用地的面积呈降低趋势，分别减少83.99hm2、261.5hm2、22.79hm2、6.80hm2和20.72hm2。就变化速率而言，建设用地面积增加速率最快，达6.16%；园地面积减少速率最快为2.35%。

表1 2015-2021 年清流县土地利用类型面积变化

表2 2030 年生态系统服务价值最大情境下土地利用结构

图2 2015-2021 年清流县各土地利用类型面积占比

4.2 生态系统服务价值动态变化

基于当量因子法，得到2015—2021 年清流县生态系统服务价值及功能价值，如图3 和图4 所示。2015—2021 年清流县生态系统服务价值总体呈现下降趋势，由2015 年的1.33×106万元减少至2021 年的1.32×106万元，变化率为-0.19%。就各土地利用类型生态系统服务价值而言，2015—2021年清流县园地、林地、水域及难利用地的生态系统服务价值量均呈下降趋势，其中，林地生态系统服务价值减少最大，减少2155.48 万元，减少率为0.16%；园地生态系统服务价值减少率最大，减少率为2.35%，减少490.17 万元；耕地生态系统服务价值增加163.82 万元，增加率为0.52%；水域生态系统服务价值减少90.40 万元，减少率为0.34%；难利用地生态系统服务价值减少率为8.44%。

图3 2015-2021 年清流县不同土地利用类型生态系统服务价值对比

图4 2015—2021 年清流县不同生态系统服务功能价值对比

就不同生态系统服务功能价值而言，尽管各项生态系统服务功能价值占总价值的比例变化较小，但不同功能间的价值量存在显著差异； 各项生态系统服务功能价值量由大到小依次为： 维持生物多样性>水文调节>气体调节>气候调节>保持土壤>原材料生产>提供美学景观>废物处理>食物生产。

4.3 基于生态系统服务价值的土地利用结构优化

基于线性规划模型，得到2023 年生态系统服务价值最大情景下的土地利用结构。相较于2021年，优化后2030 年的研究区总生态系统服务价值将增加791.23 万元，增加率为0.06%。优化后各土地利用类型中，园地面积减少最大，减少134.08hm2，其生态系统服务价值减少782.55 万元； 林地面积增加最大为191.3hm2，其生态系统服务价值增加1576.83 万元；难利用地面积减少0.47%，其生态系统服务价值减少3.05 万元； 在约束条件及生态效益最大化的条件下耕地、建设用地、水域、湿地面积未有变化。

5 结论

本研究选择清流县为研究对象，量化分析其2015—2021 年土地利用动态变化，并运用当量因子法对该县生态系统服务价值核算。在此基础上，构建生态系统服务价值最大情境下该县土地利用结构线性规划模型，确定该县2030 年最优土地利用结构。主要结论如下：

（1）2015—2021 年清流县土地利用类型中林地占主导地位，约占该县总面积的83%；建设用地面积变化率最大，由2015 年的528.41hm2到2021年的5605.47hm2，增长率为6.16%；林地面积减少最多，研究期内共减少261.50hm2。

（2）2015—2021 年清流县生态系统服务价值总体呈下降趋势，共减少2580.67 万元。在各项生态服务的功能价值中，维持生物多样性的价值量占比最大，其价值量约为21 亿，约占总价值量的16%。

（3）当2030 年土地利用结构达到生态系统服务价值最大情景下，林地增加191.30hm2，园地、其他农用地和难利用地分别减少134.08hm2、49.72 hm2和7.49hm2，相较于2021 年研究区生态系统服务价值增加791.23 万元。